高海翔，王小宇，劉 鋒，沈 沉，梅生偉

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)研究

高海翔，王小宇，劉 鋒，沈 沉，梅生偉

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)指電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度方式，它描述了電網(wǎng)中能量和信息的流動(dòng)情況。未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的研究是對現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展方向的一種預(yù)測，其結(jié)果將為電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定提供戰(zhàn)略參考。本文回顧了電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的發(fā)展歷史，并在分析電網(wǎng)發(fā)展驅(qū)動(dòng)因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合對未來電網(wǎng)在供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)重大結(jié)構(gòu)變化的預(yù)測，設(shè)計(jì)了未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)。研究表明，需求側(cè)的發(fā)展與變化將是未來電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度的重要特點(diǎn)，它使得未來電網(wǎng)中能量和信息的流動(dòng)形式更為靈活同時(shí)也更為復(fù)雜。這樣一種未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的實(shí)現(xiàn)，依賴于需求側(cè)響應(yīng)、微電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

未來電網(wǎng);運(yùn)行形態(tài);需求側(cè)響應(yīng);微電網(wǎng)

1 引言

電網(wǎng)是電能大規(guī)模輸送的主要途徑。從19世紀(jì)末至今一百多年中，為滿足用戶的用電需求，電網(wǎng)在不斷地發(fā)展變化。現(xiàn)階段，用戶對電能質(zhì)量和用電可靠性的高要求、環(huán)境保護(hù)和化石能源緊缺所帶來的壓力、提高電網(wǎng)效率和經(jīng)濟(jì)性的迫切需求，又對電網(wǎng)的發(fā)展提出了新的目標(biāo)和方向。

電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)是指電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度方式，它關(guān)系到電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定。因此，未來電網(wǎng)會(huì)有怎樣的運(yùn)行形態(tài)，需要怎樣的技術(shù)支撐，一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域所關(guān)注的重要問題之一［1-12］。文獻(xiàn)［1，2］探討了電網(wǎng)在未來可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)上的變化，包括輸電線路和配電網(wǎng)。文獻(xiàn)［3-6］分析了未來電網(wǎng)的調(diào)度方式所可能發(fā)生的改變，其中文獻(xiàn)［3］回顧了電網(wǎng)控制中心的發(fā)展歷史，并由此分析得到未來電網(wǎng)調(diào)度的可能形態(tài)。文獻(xiàn)［4-6］則關(guān)注調(diào)度形態(tài)的某些具體技術(shù)演化，如人機(jī)交互和能量管理。文獻(xiàn)［7-12］結(jié)合社會(huì)對未來電網(wǎng)所提出的發(fā)展需求，從整體層面設(shè)計(jì)了未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)。

已有文獻(xiàn)大多根據(jù)社會(huì)需求來分析未來電網(wǎng)所應(yīng)當(dāng)具有的特性，并未從歷史的角度看待電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的發(fā)展。同時(shí)，它們也沒有明確指出電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)之間的密切關(guān)系。本文認(rèn)為，電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的演變是一個(gè)長期的歷史過程，受到許多因素的驅(qū)動(dòng)，特別地，其中一些關(guān)鍵因素將起到?jīng)Q定性的作用。從此觀點(diǎn)出發(fā)，本文首先對電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)展歷程進(jìn)行回顧與分析，找出驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵因素，并分析了其演化趨勢;進(jìn)而，本文對未來電網(wǎng)供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了預(yù)測，并在預(yù)測結(jié)果上對未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的內(nèi)容

電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)包括不同電壓等級的電網(wǎng)、主網(wǎng)架和配電網(wǎng)、集中式和分布式發(fā)電之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行和協(xié)同調(diào)度。

電網(wǎng)的運(yùn)行方式指電能從發(fā)電設(shè)備處產(chǎn)生后，如何經(jīng)過不同電壓等級的電網(wǎng)，到達(dá)用電負(fù)荷處，它描述了電網(wǎng)中能量的流動(dòng)。電網(wǎng)的運(yùn)行方式同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密相連:當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，運(yùn)行方式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

電網(wǎng)的調(diào)度方式是指調(diào)度中心得到電網(wǎng)的運(yùn)行信息、制定決策、形成具體調(diào)度指令，并最終將這些指令下達(dá)的具體過程，它描述了電網(wǎng)中信息的流動(dòng)。電網(wǎng)的調(diào)度方式同樣依賴于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài):不同結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)，會(huì)有不同的調(diào)度方式與其對應(yīng)。

綜上所述，電網(wǎng)中能量的流動(dòng)方式和信息的流動(dòng)方式共同構(gòu)成了電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)，它同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3 電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展驅(qū)動(dòng)因素及其演化分析

3.1 電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的發(fā)展歷程

19世紀(jì)末至今，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)也隨之改變。迄今為止，運(yùn)行形態(tài)的發(fā)展歷程可以劃分為四個(gè)階段:電力發(fā)展初期、中心站系統(tǒng)時(shí)期、輸電網(wǎng)形成時(shí)期和大電網(wǎng)時(shí)期。本節(jié)將闡述每一階段的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及與其相對應(yīng)的運(yùn)行形態(tài)。

3.1.1 電力發(fā)展初期

從19世紀(jì)80年代出現(xiàn)公共供電系統(tǒng)，到90年代中心站系統(tǒng)的出現(xiàn)，是電力工業(yè)發(fā)展的初級階段。在此時(shí)期中，電能由發(fā)電廠產(chǎn)生，直接通過線路輸送給負(fù)荷，中間并未經(jīng)過變電或者配電的環(huán)節(jié)。由于電壓等級很低，發(fā)電廠一般都是坐落在距離負(fù)荷中心非常近的地方。負(fù)荷的分布范圍也不能太大，通常是在距離發(fā)電廠800m(半英里)之內(nèi)。

在這樣的小供電系統(tǒng)中，電力線路僅僅是作為發(fā)電廠和負(fù)荷之間的連接線，能量從發(fā)電廠到負(fù)荷單向流動(dòng)。由于電力線路上沒有可控設(shè)備，此時(shí)的調(diào)度內(nèi)容主要是根據(jù)負(fù)荷的變化改變電廠的發(fā)電機(jī)出力，保證負(fù)荷處的電壓穩(wěn)定，調(diào)度的響應(yīng)時(shí)間也比較長。此時(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)如圖1所示。調(diào)度中心收集電廠、輸電線路、負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)其變化對電廠中的發(fā)電機(jī)或原動(dòng)機(jī)發(fā)出控制信號，構(gòu)成了電網(wǎng)中信息的流動(dòng)。

3.1.2 中心站系統(tǒng)時(shí)期

19世紀(jì)末，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷開始成為電網(wǎng)負(fù)荷的主體［13，14］。隨著所需功率的增加，建造大容量電廠成為必然的趨勢。由于環(huán)境因素，大容量電廠往往距離負(fù)荷中心比較遠(yuǎn)。因此電能從電廠中產(chǎn)生，必須通過遠(yuǎn)距離輸電輸送到城市中。輸電容量和輸電距離的增加，使得輸電線路的電壓等級不斷提高，以滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

在高壓遠(yuǎn)距離輸電的背景下，中心站系統(tǒng)逐漸形成［15，16］:電廠將電能通過高壓輸電線輸送到建造在城市當(dāng)中的中心站(Central station)降壓，再通過低壓配電線將電能直接輸送到負(fù)荷處。這樣既滿足了負(fù)荷范圍擴(kuò)大的需要，又避免了建造多條高壓輸電線路所帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)在城市中采用低電壓等級輸電也保證了人身安全。這個(gè)時(shí)期的電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)如圖2所示。調(diào)度中心既要收集電廠、輸電線路和負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也要收集中心站和配電網(wǎng)絡(luò)線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)度員根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出決策，控制電廠和變電站的運(yùn)行。此時(shí)調(diào)度的主要內(nèi)容，是電廠的發(fā)電量控制，以及變電站的有功和無功功率分配。調(diào)度的時(shí)間響應(yīng)仍然比較緩慢，出現(xiàn)故障不易快速排除。

圖1 電力發(fā)展初期電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)Fig．1 Operation morphology of power grid at preliminary stage

圖2 中心站系統(tǒng)時(shí)期電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)Fig．2 Operation morphology of power grid at central station stage

3.1.3 輸電網(wǎng)形成時(shí)期

進(jìn)入20世紀(jì)20年代，居民、工業(yè)和商業(yè)用電量飛速增長，電能在人們?nèi)粘Ｉ钪械牡匚辉絹碓街匾?，對電能穩(wěn)定性的要求也越來越高。這便給電力工業(yè)的發(fā)展就提出了新的要求［17，18］。地區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)就成為了必然趨勢。通過互聯(lián)，將幾個(gè)不同地區(qū)電網(wǎng)連接在一起，既可以實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的負(fù)荷分配，減少地區(qū)電網(wǎng)的備用容量和發(fā)電負(fù)擔(dān)，又可以在地區(qū)電廠枯水時(shí)從處于豐水期的電廠得到電能，保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置［19］。

由于電網(wǎng)中能量的流動(dòng)區(qū)域相比原來的地區(qū)電網(wǎng)大大增加，故障的波及范圍也隨之增加，電網(wǎng)的及時(shí)調(diào)度對于其正常運(yùn)行也就更加重要。此時(shí)電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)如圖3所示。

圖3 輸電網(wǎng)形成時(shí)期電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)Fig．3 Operation morphology of power grid at transmission network formation stage

相比之前的地區(qū)電網(wǎng)，調(diào)度中心所得到的電網(wǎng)測量數(shù)據(jù)大大增加，每一條線路、每一個(gè)變電站的數(shù)據(jù)都會(huì)匯總到調(diào)度中心。由于遠(yuǎn)動(dòng)裝置的發(fā)展，此時(shí)電力線路上的斷路器等設(shè)備可以直接完成遠(yuǎn)方動(dòng)作。因此調(diào)度對象包括電廠、輸電網(wǎng)、變電站和配電網(wǎng)，電網(wǎng)中信息的流動(dòng)范圍隨之?dāng)U大，原有的單向流動(dòng)也變?yōu)殡p向流動(dòng)。電網(wǎng)的互聯(lián)會(huì)帶來很多的問題，包括有功無功的調(diào)度、穩(wěn)定性的控制，因此調(diào)度的內(nèi)容不僅包括有功、無功能量的產(chǎn)生和分配，還包括電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、電力裝置保護(hù)、負(fù)荷預(yù)測等內(nèi)容。如果所涉及到兩個(gè)電力公司之間的功率交換，那么調(diào)度中心還需要做好兩個(gè)電力公司之間的調(diào)度協(xié)調(diào)工作。

3.1.4 大電網(wǎng)時(shí)期

20世紀(jì)50年代，隨著遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的大型水電站、坑口火電廠、港口火電廠以及核電站的開發(fā)與興建，需要將大量電能輸送至幾百公里乃至上千公里外的負(fù)荷中心，330kV及以上的超高壓互聯(lián)電網(wǎng)開始出現(xiàn)、跨區(qū)域的大電網(wǎng)逐漸形成。隨后幾十年，電網(wǎng)的規(guī)模以前所未有的速度增長，成為了人類所制造的最大系統(tǒng)。

在大電網(wǎng)中，流動(dòng)的信息量是巨大的。如果這些信息都由同一個(gè)調(diào)度中心進(jìn)行處理、分析和傳輸，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且不利于調(diào)度的快速響應(yīng)。此外，由于電網(wǎng)最重要的調(diào)度決策是由人來完成，面對如此之大的電網(wǎng)，一個(gè)調(diào)度中心所有調(diào)度人員的精力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此電網(wǎng)調(diào)度采取了分層、分級的形式。將大電網(wǎng)分為幾個(gè)比較小的區(qū)域電網(wǎng)，并為其分別設(shè)立調(diào)度中心。如果這幾個(gè)區(qū)域電網(wǎng)仍然比較大，可以進(jìn)一步細(xì)分。每一級的調(diào)度中心所處理內(nèi)容的維度是不一樣的，越靠上層的調(diào)度中心，它所調(diào)度的是更加廣闊、更加宏觀的電網(wǎng)區(qū)域。越靠近下層，則調(diào)度范圍越窄，調(diào)度工作也就更加精細(xì)，而且處于下層的調(diào)度中心要聽從上層調(diào)度中心的調(diào)度命令［20，21］。這個(gè)時(shí)期電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)如圖4所示。

這個(gè)時(shí)期的調(diào)度內(nèi)容更加多樣，包括有功無功調(diào)節(jié)、負(fù)荷預(yù)測、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、檢修計(jì)劃制定、實(shí)時(shí)預(yù)警和管理、安全校核等。

3.2 電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素及其演化分析

根據(jù)前文對電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展歷程的回顧，可以總結(jié)出驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展的四個(gè)因素:時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技術(shù)。為了研究未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)，需要分析這些驅(qū)動(dòng)因素在未來的演化情況以及它們對未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)提出的要求。

3.2.1 時(shí)間驅(qū)動(dòng)

以時(shí)間為驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)是由時(shí)間在調(diào)度中的重要作用所決定的。無論是負(fù)荷側(cè)的需求，還是電網(wǎng)的需求和電力公司本身的利益要求，都希望調(diào)度能夠在最短時(shí)間內(nèi)完成。對調(diào)度響應(yīng)速度的追求貫穿了電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)發(fā)展的整個(gè)歷程。

在未來電網(wǎng)中，對時(shí)間的追求仍將繼續(xù)。為了使調(diào)度做到更加快速和精準(zhǔn)，一方面需要改進(jìn)已有的調(diào)度方式，使信息的流動(dòng)更加快速和精準(zhǔn)，另一方面要擴(kuò)大調(diào)度的范圍和內(nèi)容:電力電子變流器在發(fā)電和用電裝置中的大量使用、各種靈活輸電方式的采用，都有助于縮小調(diào)度的時(shí)間尺度。此外，為了在更小的時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率的精確平衡，不僅需要對電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)進(jìn)行調(diào)度，還需要對傳統(tǒng)意義上的需求側(cè)進(jìn)行調(diào)度，配以適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能設(shè)備調(diào)度，達(dá)到時(shí)間因素的要求。

圖4 大電網(wǎng)時(shí)期電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)Fig．4 Operation morphology of power grid at large power grid stage

3.2.2 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)

經(jīng)濟(jì)因素是對電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)影響最大的因素之一，它在驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變的同時(shí)，促使其運(yùn)行形態(tài)同結(jié)構(gòu)更加緊密地貼合。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來電網(wǎng)的負(fù)荷會(huì)進(jìn)一步增長。面對不斷增長的負(fù)荷，電網(wǎng)的發(fā)電量需要不斷增加，除了傳統(tǒng)的發(fā)電形式，各種新型發(fā)電形式都會(huì)不斷地接入到電網(wǎng)中來。此外，不斷增長的負(fù)荷也使僅僅靠調(diào)度發(fā)電側(cè)來改變電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)變得十分困難，對需求側(cè)的調(diào)度也因而成為經(jīng)濟(jì)性的必然要求。最后，為了減少線路上的損耗，需要采取各種新型輸電方式，同時(shí)發(fā)展負(fù)荷側(cè)的分布式電源，減小輸電線路上的功率傳遞。

3.2.3 環(huán)境驅(qū)動(dòng)

環(huán)境因素主要是通過驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變來推動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)變化的。

環(huán)境因素對未來電網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)作用不僅體現(xiàn)在決定發(fā)電廠位置上，還體現(xiàn)在資源的分布以及環(huán)境保護(hù)的壓力方面。面對全球的環(huán)保和資源壓力，節(jié)能減排、提高效率已經(jīng)成為未來電網(wǎng)所必須滿足的要求。為此，電網(wǎng)一方面要做到減小損耗，另一方面要改變發(fā)電資源的組成配置。這意味著要減少化石能源所產(chǎn)生的電能在總電能中的比重，大大增加各種清潔可再生能源如風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊陌l(fā)電比重。

3.2.4 技術(shù)驅(qū)動(dòng)

技術(shù)因素是電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的最直接驅(qū)動(dòng)力，它直接決定了電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

在未來電網(wǎng)中，無論是電能的產(chǎn)生、輸送和使用，還是信息的收集、傳輸和處理，都會(huì)在技術(shù)方面有很大的發(fā)展:在發(fā)電側(cè)，集中式和分布式新能源發(fā)電設(shè)備和裝置都會(huì)在提高能源利用效率、增加可控性和電網(wǎng)友好性方面有所提高;在輸電側(cè)，各種新型輸電方式和裝置都會(huì)投入使用，以減小網(wǎng)損、提高線路的可靠性;在用戶側(cè)，各種可控負(fù)荷、分布式控制中心的投入，使得需求側(cè)響應(yīng)成為未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的重要組成部分。技術(shù)的進(jìn)步也會(huì)促進(jìn)二次設(shè)備的改進(jìn)，使運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集、傳輸和共享，控制信號的產(chǎn)生、傳輸和執(zhí)行，都更加快捷、科學(xué)和精確。

4 未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前文對電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)驅(qū)動(dòng)因素的演化分析，本節(jié)提出對未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的設(shè)想，并探討支持其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 未來電網(wǎng)的能量流動(dòng)

在傳統(tǒng)意義的發(fā)電側(cè)，由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素的要求，將形成以大規(guī)?？稍偕茉礊橹鳌⒒茉礊檩o的格局。發(fā)電中心和負(fù)荷中心地理位置的不重合，要求大規(guī)?？稍偕茉赐ㄟ^大容量、高電壓、遠(yuǎn)距離的電能輸送，采用多種新型、靈活的輸電技術(shù)接入電網(wǎng)。此外，發(fā)電裝置大多通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，通過對輸入電能進(jìn)行變換，電網(wǎng)的電能質(zhì)量得以提高。儲(chǔ)能裝置的接入，使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性大大提高、故障恢復(fù)也更加迅速。

相比發(fā)電側(cè)，未來電網(wǎng)的需求側(cè)將會(huì)出現(xiàn)更為顯著的變化。需求側(cè)設(shè)備將比現(xiàn)有電網(wǎng)大大擴(kuò)充，分布式電源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等包含電力電子變頻器的新型裝置接入電網(wǎng)，使配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)更加復(fù)雜和靈活。在大部分地區(qū)，這些裝置會(huì)構(gòu)成微電網(wǎng)，它可以通過離網(wǎng)和并網(wǎng)的狀態(tài)切換，保證對負(fù)荷的持續(xù)供電，減小電網(wǎng)的故障范圍并為電網(wǎng)提供功率支持。配電網(wǎng)中的智能用電設(shè)備，可以靈活調(diào)整其功率需求，幫助電網(wǎng)達(dá)到功率平衡。這便為需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

4.2 未來電網(wǎng)的信息流動(dòng)

與未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)相對應(yīng)，其調(diào)度形態(tài)和信息流動(dòng)應(yīng)當(dāng)具有如下特點(diǎn):

(1)在傳統(tǒng)的發(fā)電側(cè)，對大規(guī)模新能源做出比較準(zhǔn)確的預(yù)測，由此安排系統(tǒng)的調(diào)度計(jì)劃。對于實(shí)際情況和預(yù)測值之間的功率差值，可以通過需求側(cè)響應(yīng)調(diào)節(jié)負(fù)荷的功率需求，達(dá)到電網(wǎng)的功率平衡。

(2)將化石能源發(fā)電、部分水電以及各種儲(chǔ)能裝置作為系統(tǒng)的備用容量。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者僅通過需求功率調(diào)節(jié)無法滿足系統(tǒng)的功率平衡時(shí)，利用這些裝置來發(fā)出或者儲(chǔ)存能量，保證系統(tǒng)的功率平衡，維護(hù)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

(3)以平衡發(fā)電側(cè)為目標(biāo)，利用需求響應(yīng)對負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，在分布式調(diào)度中心和電網(wǎng)需求側(cè)之間建立信息的雙向流動(dòng)。其內(nèi)容包括需求側(cè)微電網(wǎng)內(nèi)部的調(diào)度，微網(wǎng)之間的調(diào)度以及直接對負(fù)荷的調(diào)度。對需求側(cè)的管理和調(diào)度也將是未來電網(wǎng)調(diào)度的重點(diǎn)和關(guān)鍵。在微電網(wǎng)內(nèi)部，調(diào)度信息的產(chǎn)生和下達(dá)將由大量的分布式自動(dòng)調(diào)度裝置完成，人工調(diào)度只需要關(guān)注這些微電網(wǎng)的外部特性，在整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的層面上對其進(jìn)行調(diào)度和調(diào)節(jié)。

(4)由于電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的提高，調(diào)度的重點(diǎn)在于引導(dǎo)和控制整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，對社會(huì)的能源和資源進(jìn)行優(yōu)化配置，提高能源的利用效率。

總結(jié)未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的能量和信息流動(dòng)情況，可以得到整體的運(yùn)行形態(tài)如圖5所示。

4.3 未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)

相比現(xiàn)有電網(wǎng)，未來電網(wǎng)中的能量和信息流動(dòng)將更加靈活和復(fù)雜。電網(wǎng)在需求側(cè)的發(fā)展，將使這一變化更為顯著。這樣的運(yùn)行形態(tài)，需要一系列關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

4.3.1 能量流動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

未來電網(wǎng)中能量的靈活流動(dòng)主要依賴于儲(chǔ)能技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)的支撐。

儲(chǔ)能裝置是指可以大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)存電能的設(shè)備。儲(chǔ)能裝置在未來電網(wǎng)中的應(yīng)用，改變了電網(wǎng)必須實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡的能量流動(dòng)模式。通過儲(chǔ)能裝置的充電和放電操作，可以將一個(gè)時(shí)段內(nèi)多余的能量儲(chǔ)存起來，在其他的時(shí)段釋放，這意味著電網(wǎng)的能量可以跨越時(shí)間層面實(shí)現(xiàn)靈活流動(dòng)。

微電網(wǎng)技術(shù)是由需求側(cè)的分布式發(fā)電、智能型用電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備組成的微型電網(wǎng)，它可以起到就地平衡功率、提高電網(wǎng)效率、減小電網(wǎng)故障范圍的作用［22-24］。微電網(wǎng)技術(shù)改變了以往需求側(cè)單向輻射狀供電的能量流動(dòng)方式，構(gòu)建起電能的多向可控流動(dòng)渠道，包括電能從配電網(wǎng)到微網(wǎng)、從微網(wǎng)到配電網(wǎng)以及微網(wǎng)之間的流動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)能量在空間層面的靈活流動(dòng)。

4.3.2 信息流動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

未來電網(wǎng)中信息的靈活流動(dòng)主要依賴于需求側(cè)響應(yīng)和多代理兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

需求側(cè)響應(yīng)是根據(jù)電網(wǎng)的狀況，控制或調(diào)整負(fù)荷功率的電網(wǎng)調(diào)度方式。它可以對負(fù)荷曲線“削峰填谷”，提高電網(wǎng)整體的運(yùn)行效率，保證電網(wǎng)在故障情況下安全穩(wěn)定運(yùn)行［25-34］。需求側(cè)響應(yīng)將電網(wǎng)的信息流動(dòng)延伸到電網(wǎng)末梢，使原本無法控制的需求側(cè)設(shè)備也能夠向電網(wǎng)提供信息并接受電網(wǎng)的調(diào)度，從而擴(kuò)展了電網(wǎng)的信息流動(dòng)范圍。

多代理技術(shù)是將調(diào)度目標(biāo)分配給各分布式代理完成的信息傳輸和處理技術(shù)［35-38］。它采用上層通信支持和分散處理的方式，改變了電網(wǎng)原有的信息匯集和集中處理的流動(dòng)方式。這些代理與電網(wǎng)、同一層次以及不同層次代理之間的信息流動(dòng)與交互，將大大增加未來電網(wǎng)信息流動(dòng)的靈活性和復(fù)雜程度。

5 結(jié)論

電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的演變是一個(gè)長期的歷史過程，受到許多因素的驅(qū)動(dòng)，其中時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技術(shù)是四個(gè)具有決定性的因素。這些因素在未來的演化，又對電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)提出了要求。在未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)中，能量和信息的流動(dòng)將更加靈活和復(fù)雜，它們依賴于儲(chǔ)能技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、需求側(cè)響應(yīng)和分布式代理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

由于未來電網(wǎng)中需求側(cè)的顯著變化，需求側(cè)調(diào)度將成為未來電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)的重要組成部分:

圖5 未來電網(wǎng)的運(yùn)行形態(tài)Fig．5 Operation morphology of future power grid

(1)擴(kuò)大了電網(wǎng)的調(diào)度范圍，使電網(wǎng)的需求側(cè)也成為了可調(diào)度的。

(2)調(diào)動(dòng)了用戶的積極性，用戶會(huì)自發(fā)地為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定做出一定的貢獻(xiàn)。

(3)減少了電網(wǎng)運(yùn)行的成本，降低了發(fā)電廠和電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的難度，有利于新能源的接入，使得電網(wǎng)的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)和靈活。

［1］Richard E Brown．Impact of smart grid on distribution system design［A］．IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century［C］．Pittsburgh，Pennsylvania，USA，2008.1-4．

［2］Markus Bayegan．A vision of the future grid［J］．IEEE Power Engineering Review，2001，21(12):10-12．

［3］Felix F Wu，Khosrow Moslehi，Anjan Bose．Power system control centers:past，present，and future［J］．Proceedings of the IEEE，2005，93(11):1890-1908．

［4］Darren Wenn，Richard Mitchell，Matthew Gabb．Towards the control room of the future［A］．An International Conference on Human Interfaces in Control Rooms，Cockpits and Command Centers［C］．Manchester，UK，2001.79-85．

［5］Alex Huang．FREEDM system-a vision for the future grid［A］．2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting［C］．Minneapolis，Minnesota，USA，2010.1-4．

［6］Sergio Bruno，Silvia Lamonaca，Massimo La Scala．Load control through smart-metering on distribution networks［A］．IEEE Bucharest Power Tech Conference［C］．Bucharest，Romania，2009.1-8．

［7］Ipakchi A，Albuyeh F．Grid of the future［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2009，7(2):52-62．

［8］Monti A，Ponci F．Power grids of the future:why smart means complex［A］．2010 Complexity in Engineering［C］．Rome，Italy，2010.7-11．

［9］S Massoud Amin，B F Wollenberg．Toward a smart grid: power delivery for the 21st century［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2005，3(5):34-41．

［10］He Haibo．Toward a smart grid:integration of computational intelligence into power grid［A］．The 2010 International Joint Conference on Neural Networks［C］．Barcelona，Spain，2010.1-6．

［11］Enrique Santacana，Gary Rackliffe，Le Tang，et al．Getting smart［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2010，8(2):41-48．

［12］Garrity T F．Getting smart［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2008，6(2):38-45．

［13］Harold W Buck．The buffalo high-tension cable distribution system［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1901，18:835-841．

［14］Carl Hering．On the relative advantages of alternating and continuous current for a general supply of electricity，especially with regard to interference with other interests［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1900，17:513-542．

［15］George H Lukes．Overhead high-tension distributing systems in suburban districts［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1903，22:735-739．

［16］Charles F Scott．Tendencies of central station development［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1903，21:403-405．

［17］Louis A Ferguson．Centralization of power supply［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1909，28(1):355-361．

［18］黃晞 (Huang Xi)．電力技術(shù)發(fā)展史簡編 (History of electric technology development)［M］．北京:水利電力出版社 (Beijing:China Water Power Press)，1986．

［19］Hutchins A T．Southeastern power＆light system interesting features of development and operation［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，1929，48(1):206-211．

［20］宋永華，別朝紅 (Song Yonghua，Bie Chaohong)．國外電網(wǎng)發(fā)展的回顧和展望 (Review for power networks of foreign countries)［J］．現(xiàn)代電力 (Modern Electric Power)，2005，22(3):1-4．

［21］黃晞 (Huang Xi)．中國近現(xiàn)代電力技術(shù)發(fā)展史 (History of modern power technology development)［M］．濟(jì)南:山東教育出版社 (Jinan:Shandong Education Press)，2006．

［22］Ahshan R，Iqbal M T，Mann G K I，et al．Micro-grid system based on renewable power generation units［A］．23rd Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering［C］．Calgary Alberta，Canada，2010．

［23］Basu A K，Chowdhury S P，Chowdhury S，et al．Reliability study of a micro-grid power system［A］．43rd International Universities Power Engineering Conference［C］．Padova，Italy，2008．

［24］Xiong Liu，Peng Wang，Poh Chiang Loh．A hybrid AC/ DC micro-grid［A］．IPEC［C］．Chennai，India，2010. 746-751．

［25］Siemens A G．Advanced architectures and control concepts for more microgrids［R］．Erlangen，Germany． 2009．

［26］Lim Yun Seng，Philip Taylor．Innovative application of demand side management to power systems［A］．First International Conference on Industrial and Information Systems［C］．Sri Lanka，2006.8-11．

［27］Vandad Hamidi，F(xiàn)urong Li，Liangzhong Yao，et al．Domestic demand side management for increasing the value of wind［A］．CICED2008［C］．Guangzhou，China，2008．

［28］Vandad Hamidi．New control methods in demand side management to improve the security of supply in the UK’s electricity network［A］．UPEC 2007［C］．Brighton，UK，2007．

［29］Wang P，Huang J Y，Ding Y，et al．Demand side load management of smart grids using intelligent trading/metering/billing system［A］．IEEE Power and Energy Society General Meeting［C］．Minneapolis，MN，USA，2010．

［30］Amir-Hamed Mohsenian-Rad，Vincent W S Wong，Juri Jatskevich，et al．Autonomous demand-side management based on game-theoretic energy consumption scheduling for the future smart grid［J］．IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(3):320-331．

［31］Kreutz S，Belitz H-J，Rehtanz C．The impact of demand side management on the residual load［A］．Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe(ISGT Europe)［C］．Gothenburg，Sweden，2010．

［32］Yukio Suhara，Tomohisa Nakabe，Gouki Mine，et al．Distributed demand side management system for home energy management［A］．36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society［C］．Glendale，AZ，USA，2010．

［33］Junaid A Qureshi，Mariam Gul，Waqar A Qureshi．Demand side management through innovative load control［A］．TENCON 2010［C］．Fukuoka City，Japan，2010．

［34］Peter Palensky，Dietmar Dietrich．Demand side management:demand response，intelligent energy systems，and smart loads［J］．IEEE Transactions on Industrial Informatics，2011，7(3):381-388．

［35］Azevedo G P，F(xiàn)eijo B，Costa M．Control centers evolve with agent technology［J］．IEEE Computer Application in Power，2000，13(3):48-53．

［36］Yen J，Yan Y H，Wang B J，et al．Multi-agent coalition formation in power transmission planning［A］．Proceedings of the 31st Hawaii International Conference on System Sciences［C］．1998.433-443．

［37］Talukdar S，Ramesh V C．A multi-agent technique for contingency constrained optimal power flows［J］．IEEE Trans．on Power Systems，1994，9(2):855-861．

［38］Wong S K，Kalam A．Distributed intelligent power system protection using case based and object oriented paradigms［A］．Proc．of International Conference on Intelligent Systems Applications to Power System［C］．1996.74-78．

Operation morphology design for future power grids

GAO Hai-xiang，WANG Xiao-yu，LIU Feng，SHEN Chen，MEI Sheng-wei
(Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Operation morphology describes how energy and information flow in the power grid，which contains operation and dispatching of the grid．Power system operation is experiencing transformation under the development trends of smart grid．With the massive introduction of renewable energy resources and smart grid technologies in power grids，it is desirable to know what operation morphology future power grids will have．This paper reviews the evolution of power grid operation morphology and analyzes the drivers for the operation development．Based on the review and analysis results，a new operation morphology considering the changes of grid infrastructure is proposed for future power grids．According to the research，development and changes of demand side are key features of future power grid，which make energy flow and information flow more flexible and complicated．The key technologies including energy storage，demand side response，micro grid and distributed agent are discussed for the realization of the designed operation morphology．

future power grid;operation morphology;demand side response;micro gird

TM734

:A

:1003-3076(2014)01-0058-08

2012-10-17

國家電網(wǎng)公司重大科技項(xiàng)目(SGKJ［2009］12)

高海翔 (1989-)，男，河北籍，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真與分析;王小宇 (1978-)，男，陜西籍，助研，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制等。